Введение к работе
Актуалі.ность темы. Одной из кардинальных проблем для релятивистской высокочастотной электроники является создание источников когерентного излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн с уровнем мощности 10 - 103 МВт. Потребность в них обусловлена рядом актуальных физических и технических приложений. В частности, использование таких источников представляет интерес для проектируемых установок управляемого термоядерного синтеза (электронно-циклотронный нагрев плазмы, стабилизация и подавление неустойчивостей плазменного шнура, диагностика плазмы), для создания ускорителей нового поколения, для систем очистки верхних слоев атмосферы и восстановления ее озонового слоя, для передачи энергии в космосе, в радиолокационных приложениях, для исследования свойств различных сред и синтеза новых материалов и т.д. В то же время, указанные диапазоны остаются в недостаточной мере освоенными генераторами когерентного излучения, что обуславливает актуальность исследований, направленных на создание мощных СВЧ-Гфиборов миллиметрового и субмиллимстрового диапазонов.
Перспективными источниками мощного миллиметрового и субмиллиметрового излучения являются лазеры на свободных электронах (ЛСЭ). Принцип работы ЛСЭ основан на эффекте Доплера, вследствие которого частота излучения релятивистских частиц в направлении их движения существенно превосходит частоту их осцилляции. Термин "лазер на свободных электронах" в настоящее время используется в литературе в широком и узком смысле. В широком смысле к ЛСЭ можно отнести большой класс электронных приборов, основанных на различных механизмах индуцированного излучения (циклотронном, ондуляторном, вынужденном рассеянии волн) и исполь-зующих доплеровское смещение частоты излучения вверх. В узком смысле ЛСЭ называют устройства, основанные на вынужденном ондуляторном излучении (излучении в периодическом магнитостатическом поле). В данной работе термин ЛСЭ используется .в указанном узком смысле. При этом с учетом того, что основное внимание в работе уделено исследованию ЛСЭ в СВЧ диапазоне, для этих источников используется
термин мазеры на свободных электронах (МСЭ), а также их традиционное для электроники СВЧ название - убитроны.
В настоящее время по частоте излучения ЛСЭ - МСЭ занимают довольно обширную область от ультрафиолетового, оптического и инфракрасного до субмиллиметрового и миллиметрового диапазонов. Для запитки ЛСЭ И К и оптических диапазонов обычно используются ультрарелятивистские электронные пучки (с энергией частиц 10 МэВ и более). Формируются такие пучки традиционными типами ускорителей (линейные ускорители, микротроны, электростатические ускорители и т.д.), мощность этих лучков сравнительно невелика, а их транспортировка и фокусировка обычно осуществляется в пространственно-периодическом магнитном поле.
В длинноволновой области (миллиметровый и субмиллиметровый диапазоны) для запитки МСЭ используются РЭП с умеренной энергией частиц (0.5 - 2 МэВ) и относительно большим первеансом (ток пучка а 0.1 - 10 кА). Формируются эти пучки либо сильноточными ускорителями прямого действия, либо линейными индукционными ускорителями. Мощность таких пучков достигает 1 - 10 ГВт. Их фокусировка и транспортировка в области взаимодействия, как правило, осущестііляется ведущим магнитным полем, наличие которого существенно влияет на работу МСЭ. К настоящему времени проведено большое количество экспериментальных исследований МСЭ с ведущим магнитным полем [1*-7*). Эти исследования показали большое разнообразие режимов работы этих устройств, а также возможность достіскения в них высокого КПД* [5*, 6*, 24].
Одновременно интенсивно развивалась теория МСЭ с ведущим полем [10*-17*]. Существенный вклад в разработку нелинейной теории таких устройств был внесен в работах [13*, 14*]. Тем не менее, в указанных работах ряд важных с практической точки зрения аспектов работы МСЭ с ведущим магнитным полем остался не исследованным. Отчасти это было
Одними из возможных конкурентов МСЭ-убитронов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах выступают мазеры на циклотронном авторезонансе (МЦАР) [8*]. Проведенные эксперименты показали возможность достижения высокого КПД (25-30%) в МЦАР [9*), как и в МСЭ 15*, h*, 27), однако при меньшем преобразовании частоты по сравнению с последними. Тем не менее, корректное сравнение этих приборов, в том числе, по чувствительности к разбросу параметров запитывающих их пучков, остается весьма актуальным в теоретическом и практическом плане.
вызвано тем, что в этих работах анализ нелинейных режимов основыв;цпся на численном моделировании полных (не усредненных) уравнении без предварительного выделения ряда специфических резонансов, присущих указанным системам, днализ МСЭ с ведлчдим магнитным полем в лямках усредненного описания был развит в работах |1-4| и составляет теоретическую основу настоящей диссертации.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование МСЭ-убитронов с ведущим магнитным полем, поиск путей увеличения мощности и повышения КПД. а также обеспечения когерентности излучения за счет использования высокоселективных электродинамических систем. В рамках этой задачи в настоящей работе были проведены:
анализ условий формирования криволинейных электронных пучков с малым разбросом параметров в периодическом ондуля-торно'м и ведущем магнитных полях;
теоретическое исследование генераторных и усилительных схем МСЭ с магннтонаправляемымп РЭП, оптимизация их параметров;
исследования конкуренции продольных и поперечных мод I! МСЭ-генсраторах с одномерной и двумерной распределенной обратной связью и методов обеспечения когерентности излучения этих приборов;
экспериментальное исследование МСЭ-гснсраторов миллиметрового диапазона длин волн, включающее в себя формирование криволинейных РЭП с малым разбросом параметров, повышение эффективности МСЭ и обеспечение устойчивой одно модо во и генерации.
Научная новизна.
1. Исследовано формирование криволинейных РЭП в периодическом ондуляторном и ведущем магнитных ПОЛЯХ с учетом конечности длины области включения ондуляторного поля и его поперечной неоднородности. Показано, что данные системы позволяют формировать криволинейные пучки с малой дисперсией параметров, в которых возбуждены либо баунс-, либо циклотронные колебания.
2. Построена нелинейная теория усилительных и генераторных схем МСЭ с ведущим магнитным полем. Получены усредненные уравнения движения частиц в режимах ондуля-торного и комбинационных синхронизмов. Найдены оптимальные режимы работы МСЗ, в том числе, при использовании РЭП с большим разбросом параметров. Исследована возможность увеличения эффективности данного класса МСЭ.
.1. Исследованы многочастотные процессы в МСЭ-генера-торах с брэгговскими резонаторами. Показана возможность установления одночастотного одномодового режима генерации, обусловленная конкуренцией мод.
-
Исследовано использование двумерной распределенной обратной связи для получения мощного пространственно-когерентного излучения в Генераторах, запитываемых широкими ленточными электронными пучками, поперечные размеры которых существенно превосходят длину волны. Изучены селективные свойства брэгговских резонаторов с двояко-периодической гофрировкой, реализующих двумерную распределенную обратную связь. Развита концепция сверхмощных МСЭ с двумерной распределенной обратной связью на основе ленточных РЭП.
-
Проведено экспериментальное исследование различных режимов работы МСЭ-генератора с винтовым ондулятором и брэгговским резонатором. В режиме с обратным ведущим полем получена рекордная для МСЭ-генераторов эффективность.
-
Экспериментально исследован режим двойного резонанса в МСЭ планарной геометрии. На основе этих исследований в МСЭ, запитываемом ленточным микросекундным РЭП, получен рекордный энергозапас в СВЧ-импульсе.
-
Экспериментально исследована работа нового широкополосного отр;іжателя, основанного на эффекте мультипликации волновых пучков, в качестве элемента электродинамической системы МСЭ-генератора.
Практическая ценность. Полученные в процессе выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы при разработке мощных высокоэффективных МСЭ миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов, а также при создании электронно-оптических и электродинамических систем других приборов электроники больших мощностей.
Использование результатов работы. Результаты работы использованы и экспериментах с МСЭ. проведенных в ИПФ РАН, ОИЯИ (г. Дубна), ИЯФ РАН (г. Новосибирск) и Страт-клайдеком университете (г. Глазго, Великобритания), а также при выполнении работ по грантам №R8B000 Международного научного фонда, №R8B300 Международного научного фонда л Правительства России, №94-02-04481 и №96-02-18971 Российского фонда фундаментальных исследований.
Публикании и апробация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1-33] и до клады вались па VI и VII Семинарах "Высокочастотная релятивистская электроника" (Свердловск 1989; Томск 1991), на VII и VIII Всесоюзных симпозиумах по сильноточной электронике (Новосибирск 1988; Свердловск 1990), Всесоюзном семинаре "Волновые и колебательные явления в электронных приборах О-типа" (Ленинград 1990), Всесоюзной школе-семинаре "Физика и применение микроволн" (Москва 1991), Всесоюзной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 1991), IX Международном симпозиуме по сильноточной электронике (Екатеринбург-Москва 1992), Всесоюзных школах-семинарах по электронике СВЧ и радиофизике (Саратов 1992 и 1994), 2-ом Азиатском симпозиуме по лазерам на свободных-электронах (Новосибирск 1995), X и XI Международных конференциях по мощным пучкам частіш (США, Сан-Диего 1994; Чехия, Прага 1996), II и III Международных совещаниях "Мощные микроволны в плазме" (Н.Новгород 1993 и 1996), 19-й. 20-й и 21-й Международных конференциях по инфракрасным и миллиметровым волнам (Япония, Ссндай 1994; США, Орландо 1995; Германия, Берлин 1996), X1V-XVIH Международных конференциях по лазерам на свободных электронах (Япония, Коба 1992; Голландия, Гаага 1993; США, Стснфорд 1994; США, Нью-Йорк 1995; Италия, Рим 1996), 23-й Международной конференции по физике плазмы (Великобритания, Пертшир 1996), XXV Генеральной ассамблеи Международного радиофизического общества (Франция, Лилль 1996), Всероссийском семинаре по физике микроволн (Н.Новгород 1996), а также на внутренних семинарах ИПФ РАН.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации составляет 172 страницы, включая 103 страницы основного текста, 4 таблицы и 63 рисунка, размещенных на 59 страницах, список литературы, который содержит 132 наименования и размещен на 10 страницах.
